1.4 RFID系統的組成、工作流程和分類

1.4.1 RFID系統的組成

作為物聯網的核心技術之一，RFID技術的應用領域非常廣泛。不同領域的應用需求不同，造成了目前多種標準和協議的RFID設備共存的局面，這就使得應用系統架構復雜程度大為提高，但就基本的RFID系統來說，其組成相對簡單而清晰，主要包括RFID標簽、讀寫器、天線、中間件和應用軟件5部分。

（1）RFID標簽

RFID標簽俗稱為電子標簽，也稱為應答器（Transponder Respond er，TAG），根據工作方式可分為主動式（有源）和被動式（無源）兩大類。被動式是RFID系統是目前研究的重點。被動式RFID標簽由標簽芯片和標簽天線或線圈組成，利用電感耦合或電磁反向散射耦合原理實現與讀寫器之間的通信。RFID標簽中存儲一個唯一編碼，通常為64bit、96bit甚至更高。其地址空間大大高于條形碼所能提供的空間，因此可以實現單品級的物品編碼。圖1-6所示是一款RFID標簽芯片的內部結構框圖，主要包括射頻前端、模擬前端、數字基帶處理單元和E²PROM存儲單元4部分。

（2）讀寫器

讀寫器又稱為閱讀器（Reader）或詢問器（Ingerrogator），是對RFID標簽進行讀/寫操作的設備，主要包括射頻模塊和數字處理單元兩部分。一方面，RFID標簽返回的微弱電磁信號通過天線進入讀寫器的射頻模塊并轉換為數字信號，再經過讀寫器的數字信號處理單元對其進行必要的加工整形，最后從中解調并返回信息，完成對RFID標簽的識別或讀/寫操作；另一方面，上層中間件及應用軟件與讀寫器進行交互，實現操作指令的執行和數據匯總上傳，在上傳數據時，讀寫器會對RFID標簽數據進行去重過濾或簡單的條件過濾，因此在很多讀寫器中還集成了微處理器和嵌入式系統，實現一部分中間件的功能，如信號狀態控制、奇偶位錯誤校驗與修正等。未來的讀寫器呈現出智能化、小型化和集成化的趨勢。在物聯網系統中，讀寫器將成為同時具有通信、控制盒、計算（Communication，Control，Computing）功能的核心設備。

（3）天線

天線（Antenna）是RFID標簽與讀寫器之間實現射頻信號空間傳播和建立無線通信連接的設備。RFID系統包括兩類天線，一類是RFID標簽上的天線，與RFID標簽集成為一體；另一類是讀寫器天線，既可以內置于讀寫器中，又可以通過同軸電纜與讀寫器的射頻輸出端口相連。在實際應用中，天線設計參數是影響RFID系統識別范圍的主要因素。對高性能的天線，不僅要求其具有良好的阻抗匹配特性，而且需要根據應用環境的特點對其方向特性、極化特性和頻率特性進行專門設計。

（4）中間件

中間件（Middleware）是一種面向消息的、可以接收應用軟件端發送的請求，對指定的一個或多個讀寫器發起操作并接收、處理后向應用軟件返回結果數據的特殊化軟件。中間件在RFID應用中除了可以屏蔽底層硬件帶來的多種業務場景、硬件接口、使用標準造成的可靠性和穩定性問題，還可以為上層應用軟件提供多層次、分布式、異構的信息環境下業務信息和管理信息的協同。

（5）應用軟件

應用軟件（Application Software）是直接面向最終用戶的人機交互界面，協助使用者完成對讀寫器的指令操作以及對中間件的邏輯設置，逐級將RFID原始數據轉化為使用者可以理解的業務事件，并使用可視化界面進行展示。

1.4.2 RFID系統的工作流程

RFID系統工作流程圖如圖1-7所示。讀者希望獲得經過某個位置的RFID標簽列表，即在應用軟件端向與該位置相關的邏輯讀寫器ID發出讀取RFID標簽指令。該指令傳送到中間件后，將邏輯讀寫器ID轉換為映射表中的物理讀寫器ID，并按照該物理讀寫器的通信協議向其發出指令。讀寫器接收到該指令后，通過天線散射一定頻率的射頻信號，當RFID標簽進入天線工作區域時產生感應電流，RFID標簽獲得能量被激活。處于激活狀態的RFID標簽將返回應答信號。天線接收到從RFID標簽發送來的載波信號后傳送到讀寫器，讀寫器進行解調和過濾后將RFID標簽ID信息返回給中間件。中間件首先將來自不同物理讀寫器的信息格式進行統一，然后存入內存數據庫中，并根據預先設定的過濾規則將讀寫器事件轉化為滿足用戶請求的信息，發送給應用軟件端，并將RFID標簽列表展現給使用者。

1.4.3 RFID系統的分類

自RFID技術誕生以來，在使用頻率、交互原理以及供電方式等方面都呈現出多樣化的趨勢，可將RFID系統按照以下幾種類型進行分類。

1.按照使用頻率進行分類

RFID系統主要依賴電磁波傳播，除了交互原理外，不同的發射頻率還會在RFID系統的讀寫距離、數據傳輸速率和可靠性等參數上產生比較大的差異。可以說，RFID系統的工作頻率是決定系統性能和可行性的主導因素。

目前，國際上常用的RFID系統大多工作在供工業、科研及醫療機構（Industrial、Scientific and Medical，ISM）使用的專用頻段，即ISM頻段。RFID系統主要工作在以下4個頻段。

（1）低頻（LF，135kHz）

低頻這個頻段的識別距離只有幾厘米，但由于該頻段的信號能穿透動物體內的高濕環境，因此被廣泛應用于動物識別。

（2）高頻（HF，13.56MHz）

高頻是一個開放頻段，標簽的識別距離最遠為1～1.5m，寫入距離最遠也可達1m。在這個頻段運行的標簽絕大部分是無源的，依靠讀寫器供給能源，我國的第二代身份證采用這個頻段的RFID產品。

（3）超高頻（UHF，433MHz、860～960MHz）

超高頻這個頻段的標簽和讀寫器在空氣中的有效通信距離最遠。這個頻段的信號雖然不能穿透金屬、液體、濕氣等懸浮顆粒物質，但是數據傳輸速率更快，并可同時讀取多個標簽。但這個頻段在各國均被發配為移動通信專用頻段，頻譜資源比較緊張，不同國家之間會產生一定程度的頻率沖突。

（4）微波（MW，2.45GHz、5.8GHz）

微波這個頻段的優勢在于其受各種強電磁場（如電動機、焊接系統等）的干擾小，識別距離介于高頻和超高頻系統之間，且可以將標簽設計得很小，但成本較高。

RFID常用頻段特性的對比和主要應用方面如表1-2所示。

2.根據交互原理進行分類

在目前廣泛應用的RFID技術體系中，電感耦合和電磁反向散射耦合是RFID標簽與讀寫器數據交互的主要技術原理，此外還有聲表面波技術和有機RFID技術等。

（1）電感耦合

讀寫器線圈的近場輻射通過電感耦合的方式供給標簽能量，同時通過負載調制方法讀取標簽內容，由于近場輻射強度隨著距離增加有很大的衰減，采用這種技術的RFID系統只能在近距離范圍內（小于1m），其原理與變壓器的工作原理系統相同，因此又被稱為變壓器模型。

讀寫器天線產生一個電磁場，標簽線圈通過該磁場感應出電壓，以提供給標簽工作的能量，從讀寫器到標簽的數據傳輸室是通過改變傳輸場的一個參數（幅度、頻率或相位）來實現的。從標簽返回的數據傳輸是通過改變傳輸場的負載來實現（幅度和相位）的。

（2）電磁反向散射耦合

電磁反向散射耦合主要用于遠距離讀取的超高頻和微波系統中。遠場的電磁傳播基于電磁波的空間傳播規律，發射后的電磁波遇到目標后，一部分能量被標簽吸收用來對內部芯片進行供電；另一部分能量通過電磁反向散射的方式被反射回讀寫器中，同時帶回目標信息。其工作原理與雷達工作原理相同，因此又稱為雷達模型。

（3）聲表面波

聲表面波是沿物體表面傳播的一種彈性波，由英國物理學家瑞利在19世紀80年代研究地震波的過程中偶爾發現。利用聲表面波原理設計的RFID標簽最早出現于20世紀80年代，其基本結構是在具有壓電特性的基片材料拋光面上制作兩個聲電換能器，分別作為輸入換能器和輸出換能器。換能器的兩條總線與RFID標簽天線相連，在換能器之間的晶體表面設有按照特定規律設計的反射器，以表示編碼信息。

在聲表面波RFID標簽接收到高頻脈沖后，輸入換能器將高頻脈沖轉換為聲表面波，并沿晶體表面的反射器組傳播，反射器組對入射表面波部分反射，再經過輸出換能器將反射聲脈沖串重新轉換為高頻脈沖串，從而達到數據交互的目的。

（4）有機RFID標簽技術

有機RFID標簽技術采用有機薄膜晶體管（OTFT），又稱為塑料晶體管，與MOS晶體管的最大不同在于OTFT采用有機半導體材料取代MOS中的無機半導體材料。有機RFID標簽通過印制電子技術使用金屬和有機墨水將有機薄膜晶體管直接制備在同一基底上形成標簽芯片和天線，再通過印制技術批量生產，使制造工藝得到簡化，制造成本大大降低。

有機印制標簽其基本交互原理與基于硅片制備的RFID標簽一樣，也是基于電感或電磁耦合實現自動識別，二者的主要區別在于基底材料和加工工藝不同。

3.根據RFID產品供電方式進行分類

根據RFID產品供電方式進行分類，可分為3大類，即無源RFID產品、有源RFID產品和半有源RFID產品。

（1）無源RFID產品

無源RFID產品發展最早，也是發展最成熟、市場應用最廣的產品。比如，公交卡、食堂餐卡、銀行卡、賓館門禁卡和二代身份證等，這些應用在人們的日常生活中隨處可見，屬于近距離接觸式識別類。其產品的主要工作頻率有低頻125kHz、高頻13.56MHz、超高頻433MHz和超高頻915MHz。

（2）有源RFID產品

有源RFID產品是近幾年發展起來的，其遠距離自動識別的特性，決定了其巨大的應用空間和市場潛質。在遠距離自動識別領域（如智能監獄、智能醫院、智能停車場、智能交通、智慧城市、智慧地球及物聯網等）有重大應用。有源RFID在這個領域異軍突起，屬于遠距離自動識別類。產品主要工作頻率有超高頻433MHz、微波2.45GHz和5.8GMHz。

（3）半有源RFID產品

半有源RFID產品結合了有源RFID產品及無源RFID產品的優勢，在低頻125kHz頻率的觸發下，讓微波2.45GHz發揮優勢。半有源RFID技術也可以叫作低頻激活觸發技術，利用低頻近距離精確定位，微波遠距離識別和上傳數據來解決單純的有源RFID和無源RFID沒有辦法實現的功能。簡單來說，就是近距離激活定位、遠距離識別及上傳數據。

半有源RFID是一項易于操控、簡單實用且特別適合用于自動化控制的靈活性應用技術，識別工作無須人工干預，它既可支持只讀工作模式，又可支持讀寫工作模式，且無須接觸或瞄準；可在各種惡劣環境下自由工作，短距離射頻產品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環境，可以替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體；長距射頻產品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如自動收費或識別車輛身份等。該產品集有源RFID和無源RFID的優勢于一體，在門禁進出管理、人員精確定位、區域定位管理、周界管理、電子圍欄及安防報警等領域有著很大的優勢。